平單軸跟蹤器受力分析研究

董長安 慎小寶 計(jì)策 野召忠

摘要：以某光伏電站為例，通過對平單軸跟蹤器的受力狀態(tài)、受力工況及荷載取值進(jìn)行詳細(xì)分析，確保在平單軸支架設(shè)計(jì)過程中充分考慮影響安全可靠性的各種因素;并對關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)逐一進(jìn)行受力分析，意在讓設(shè)計(jì)人員充分了解平單軸跟蹤器的設(shè)計(jì)方法，提高平單軸跟蹤器的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：平單軸跟蹤器;安全可靠性;風(fēng)致共振

中國分類號：TU312 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Taking a photovoltaic power station as an example，this paper studies on the force analysis，the endure force status and the load calculation of single axis solar tracker，to ensure that various factors affecting safety and reliability are fully considered in the design process. The stress analysis of key components and nodes is also carried out in detail，so that engineers can fully comprehend the design principle and improve the safety and reliability of single axis solar tracker.

Key words：Single axis solar tracker;Safety and reliability;Wind-induced resonance

引言

平單軸跟蹤器通過天文算法跟蹤太陽方位角提高組件表面接受到的輻照量，從而提高光伏電站的發(fā)電量;在高緯度地區(qū)相比固定支架有明顯的發(fā)電量提高優(yōu)勢，因而得到了廣泛應(yīng)用，平單軸跟蹤器屬于一種機(jī)械專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)相結(jié)合產(chǎn)生的光伏支架裝置，既要采用結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)思維，也要具備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的功能要求;因此對受力狀態(tài)和受力工況進(jìn)行充分透徹的分析，對保證平單軸支架的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。

1受力狀態(tài)

平單軸跟蹤支架根據(jù)其工作特點(diǎn)，受力可分為兩種狀態(tài)

正向受力狀態(tài)：系統(tǒng)受電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)受力來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，受風(fēng)阻力、軸承處的摩擦力及系統(tǒng)自重產(chǎn)生的阻力等因素的影響，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，平單軸支架在該狀態(tài)下均能正常運(yùn)行，本文不作重點(diǎn)闡述。

反向受力狀態(tài)：系統(tǒng)受風(fēng)荷載作用，系統(tǒng)電機(jī)起約束作用。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，平單軸支架破壞多為該狀態(tài)，本文對該狀態(tài)重點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 受力工況

平單軸追蹤支架系統(tǒng)具有大風(fēng)保護(hù)功能，在風(fēng)荷載達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將組件平面調(diào)整為水平狀態(tài)，以減小迎風(fēng)面積，達(dá)到大風(fēng)保護(hù)功能，故平單軸追蹤支架應(yīng)按以下兩種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工況一：組件與水平面呈45°狀態(tài)，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的保護(hù)風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)荷載核算構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

工況二：組件與水面夾角小于10°，系統(tǒng)按項(xiàng)目地25年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載核算構(gòu)件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

3 風(fēng)荷載取值

大風(fēng)在通過障礙物時(shí)，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度，會(huì)在障礙物尾部形成渦流，渦脫時(shí)會(huì)對結(jié)構(gòu)引發(fā)橫向激勵(lì)，激勵(lì)頻率取決于風(fēng)速。當(dāng)組件與水平面有一定的夾角，迎風(fēng)時(shí)，尾流渦脫會(huì)引起豎向激勵(lì)，風(fēng)的壓力引起水平向的推力，當(dāng)豎向頻率與系統(tǒng)固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。即使組件處于水平狀態(tài)，豎向激勵(lì)依然存在。

支架屬于對風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)《荷載規(guī)范》8.4.2條，支架體系應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《荷載規(guī)范》8.1.1條取用：

上式中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2），βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，μz風(fēng)壓高度變化系數(shù)，W0為基本風(fēng)壓（KN/m2）。

以某項(xiàng)目為例，保護(hù)風(fēng)速為12m/s，對應(yīng)的基本風(fēng)壓為0.09 KN/m2，25年重現(xiàn)期對應(yīng)的基本風(fēng)壓為0.26 KN/m2。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：根據(jù)《荷載規(guī)范》8.2.1條，地面粗糙類別為B類，μz取1.0。

體型系數(shù)：根據(jù)《荷載規(guī)范》8.2.1條表8.3.1第29項(xiàng)，上部組件體型系數(shù)取1.4，下部組件體型系數(shù)取0.6。

風(fēng)振系數(shù)：關(guān)于風(fēng)振系數(shù)，《荷載規(guī)范》及《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范均未給出明確的取值規(guī)定，支架結(jié)構(gòu)類似民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，其脈動(dòng)風(fēng)壓除了和風(fēng)速脈動(dòng)有關(guān)外，還與流動(dòng)分離、再附、旋渦脫落等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)，難以簡單采用風(fēng)振系數(shù)方法。追蹤支架屬于對風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)體系，且結(jié)構(gòu)贅余度很低，為了考慮風(fēng)振響應(yīng)，建議按照《荷載規(guī)范》8.6.1條規(guī)定的維護(hù)結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)系數(shù)考慮風(fēng)振效應(yīng)。當(dāng)?shù)孛娲植陬悇e為B類高度5米處的風(fēng)振系數(shù)取1.70。

根據(jù)以上取值及公式：

4 桿件受力分析

4.1 主軸抗扭計(jì)算

主軸截面為B120X3.0，扭矩用T表示，分項(xiàng)系數(shù)取1.4，主軸所受重力為對稱荷載，不會(huì)對主軸產(chǎn)生扭矩，扭矩主要為風(fēng)荷載的體型系數(shù)不對稱產(chǎn)生。

T2> T1，按T2復(fù)核主梁強(qiáng)度及剛度。

根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)分析等直矩形截面受扭桿件的應(yīng)力及轉(zhuǎn)角時(shí)，直接引用彈性力學(xué)的結(jié)果，對于閉口薄壁截面桿件：

上式中，τmax為最大剪應(yīng)力，ψ為單位長度最大扭轉(zhuǎn)角，A0為中線所圍面積，δmin為薄壁桿件的最小壁厚，G為切變模量，S為壁厚中線的全長。

某項(xiàng)目為例：A0=117x117=14400mm2，δmin=3mm，S=117x4=468mm，G=79X103N/mm2

上式計(jì)算的單位長度轉(zhuǎn)角單位為弧度，轉(zhuǎn)化為角度為：

主軸半邊長度16m總轉(zhuǎn)角為0.63x16=10°，對應(yīng)的振幅如下圖：

由上圖可知，在主軸抗扭剛度不足的情況下，由于主軸長度較長，雖然結(jié)構(gòu)仍然處于彈性變形階段，但主軸遠(yuǎn)端的最大振幅可大74cm，且由于驅(qū)動(dòng)臂的約束作用，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形不協(xié)調(diào)等情況，容易在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對于結(jié)構(gòu)整體承受風(fēng)荷載及組件變形都極為不利。因此，行業(yè)內(nèi)較為常用的措施是增加阻尼器，約束主軸遠(yuǎn)端的較大變形，但阻尼器的約束作用，取決于阻尼器的個(gè)體性能及與系統(tǒng)協(xié)同工作的整體性能，從某項(xiàng)目來看，阻尼器設(shè)置位置及連接方式等因素使阻尼器未能達(dá)到預(yù)期的工作效果。

4.2單排推拉臂受力分析

推拉臂為受彎構(gòu)件，在工況二狀態(tài)下，推拉臂所受的彎矩為兩倍的T2，M=2T2=2×4.61=9.22 KN?m如圖：

推拉臂材質(zhì)選用Q235級鋼材，

強(qiáng)度復(fù)核：

穩(wěn)定性復(fù)核：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》4.2.4條

h/b=120/120=1.0<6，l/b=1650/120=13.75<95

符合上述條件的箱型截面簡支梁，可不計(jì)算整體穩(wěn)定性。

根據(jù)以上強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，力臂建議選擇

B140X140X3.0，WX=73.5cm3

B120X120X3.0，WX=53.42cm3

4.3回轉(zhuǎn)減速器受力分析

根據(jù)上述推拉臂的計(jì)算結(jié)果，回轉(zhuǎn)減速器的受力主要為推拉桿傳遞的推拉力產(chǎn)生的彎矩，詳見下圖：

F1=M2/L=10.68kN?M/1.65M=6.47kN

F=15F1=15×6.47=97kN

M=FL=97×1.65=160 kN?m

根據(jù)上述計(jì)算可知，回轉(zhuǎn)力臂在反向極限風(fēng)荷載作用下，所承受的約束力矩很大，常規(guī)的薄壁材料無法滿足要求，必須采用可靠的材料及結(jié)構(gòu)形式才能保證節(jié)點(diǎn)的彎矩傳遞能力。

5 結(jié)語

平單軸破壞的原因很大程度是因?yàn)楣舱窈捅”跇?gòu)件固結(jié)節(jié)點(diǎn)的基本假定無法保證，共振的根本原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身的剛度不足，容易產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)風(fēng)荷載脈動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率相近時(shí)產(chǎn)生低頻共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生破壞。

建議在平單軸追蹤支架體系設(shè)計(jì)時(shí)從以下方面增加體系的可靠性：

1）增加主軸的抗扭剛度，減小斜梁的挑出長度，以達(dá)到減小振幅的目的。

2）增設(shè)減小振幅的構(gòu)造措施，如阻尼減震器等，減震器的設(shè)置位置應(yīng)能保證減震器有效可靠工作。

3）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)造措施，保證固結(jié)節(jié)點(diǎn)的基本假定。

4）設(shè)置減小風(fēng)速的措施，如在迎風(fēng)面布或設(shè)置風(fēng)屏障。或在總圖布置時(shí)選擇有利位置，避免遭遇極限風(fēng)荷載。

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